CN102002653B

CN102002653B - 一种超高纯铝细晶、高取向靶材的制备方法

Info

Publication number: CN102002653B
Application number: CN2010105613850A
Authority: CN
Inventors: 班春燕; 朱庆丰; 崔建忠
Original assignee: Northeastern University China
Current assignee: Northeastern University China
Priority date: 2010-11-27
Filing date: 2010-11-27
Publication date: 2012-07-04
Anticipated expiration: 2030-11-27
Also published as: CN102002653A

Abstract

本发明涉及合金材料领域，具体涉及一种超高纯铝细晶、高取向靶材的制备方法。包括：将超高纯铝铸锭进行500～630℃高温均匀化退火，消除铸造内应力，细化铸态组织；在150℃～300℃对超高纯铝铸锭进行多道次多向锻造，在不改变铸锭形状的前提下获得大应变，细化超高纯铝晶粒；将多向锻造后工件置于冰水中冷却到0℃～5℃后进行冷轧，道次压下量控制在5%～30%，通过对板材进行道次间冰水冷却控制板材轧制过程的温升，抑制板材的再结晶。最后进行50℃～250℃的低温退火。采用此方法可以生产厚度为5mm～25mm，平均晶粒尺寸￡200um，晶粒取向以（200）方向为主的靶材，且该靶材在200℃工作时组织稳定。

Description

一种超高纯铝细晶、高取向靶材的制备方法

技术领域

本发明涉及合金材料领域，具体涉及一种超高纯铝细晶、高取向靶材的制备方法。

背景技术

物理气相沉积（PVD）是半导体芯片和TFT～LCD生产过程中最关键的技术，PVD用溅射金属靶材是半导体芯片生产及TFT～LCD制备加工过程中最重要的原材料之一，溅射金属靶材中用量最大的是高纯铝和超高纯净铝合金靶材。根据溅射工艺原理，靶材的晶粒越细小，成分组织越均匀，取向越集中，靶材的表面粗糙度越小，通过物理气相沉积的方法在硅片上形成的薄膜质量越好，因此靶材需要细晶组织，要求晶粒平均尺寸小于200μm，且以（200）面织构为主。除了对靶材晶粒尺寸及取向的要求，高纯铝靶材还必须满足工业应用中的尺寸要求。随着TFT～LCD液晶平板显示器尺寸不断扩大，对高纯铝大尺寸细晶靶材的需求也在不断增加。

5N5～6N高纯铝的提纯方法主要是偏析法（也叫顺序结晶法），这种方法是通过控制晶粒的生长形态来提高垂直定向凝固过程中的杂质元素偏析效率，提高高纯铝锭的洁净度。这种方法生产出来的高纯铝铸锭，由于凝固过程缓慢，晶粒尺寸相当粗大，可以达到十几厘米到几十厘米，这种晶粒远不能满足对高纯铝靶材的技术要求。对高纯铝进行重熔再通过激冷的方法，和采用超声、电磁场等物理方法只能获得小块的细晶高纯铝，不能生产大尺寸的高纯铝靶材，重熔过程还容易使高纯铝受到污染，降低其纯度。因此只能采用塑性变形并使高纯铝发生再结晶的方法来获得大块细晶高纯铝板材。

大塑性变形的方法是目前获得超细晶最有效的方法。通过对材料实施大塑性变形，可以获得微米、纳米级晶粒，进而在不损害材料塑性的同时提高材料的强度和韧性，因而已经成为国内外研究的热点。大塑性变形方法的特点在于在使材料发生大应变的同时不改变材料的形状。人们发展了许多大塑性变形的方法。如：等径角挤压（equal channel angular pressing ECAP），累计叠轧(accumulative roll～bonding)，高压扭转（high pressure torsion），多向锻造（multipass forging）等。

为了得到晶粒细小且均匀的靶材，已经有较多的工艺得到了研究和应用。目前国内外应用的方法主要是低温大塑性变形方法，其工艺包括以锻压、轧制、等通道挤压以及累计叠轧。专利号：US 6835251 B2，发明名称：High～purity aluminum sputter targets and method of manufacture (高纯铝溅射靶材及其制造方法），提出了在液氮中对高纯铝进行冷却处理，待冷却到低于零下50℃后再对高纯铝进行压缩+轧制的大塑性变形，并在各变形道次间将高纯铝放入液氮冷却，以保证变形过程中高纯铝温度低于零下50℃，当总变形量达到90%以上后，对板材进行温度低于200℃的再结晶退火，最终得到了晶粒小于200μm，取向（200）为主的高纯铝靶材。中国专利申请，申请号：CN 101638760A，发明名称：高纯铝超细晶粒溅射靶材的制备方法，提出采用等通道挤压、液氮深过冷处理以及轧制相结合的技术制备高纯铝超细晶粒溅射靶材。

这些工艺的特点在于先将超高纯铝置于液氮中进行冷却后，再进行大塑性变形，再对高纯铝板材进行低温退火以得到细小均匀的再结晶组织。此类工艺在生产高纯铝靶材时要耗费大量的液氮，尤其是生产大尺寸高纯铝板材时，耗费液氮量更大，增加了生产成本。此外，有些工艺如等通道挤压法，其自身特点决定了其难以生产大尺寸高纯铝靶材。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的不足，提供一种超高纯铝细晶、高取向板靶材的制备方法，特别是采用在冰水中对高纯铝进行冷却处理，较大的降低生产成本。

实现本发明目的的技术方案包括以下工艺步骤：

首先将通过铸造得到的纯度大于99.9995wt%的超高纯铝铸锭，在500～630℃条件下进行退火处理，退火时间2～18小时，退火后空冷到室温；然后将退火处理后的超高纯铝铸锭加热到150～300℃，保温3小时后，置于压力机砧头上，先经过两道次锻造将铸锭锻成长方体工件，其中X为长方体工件的长边，Y为长方体工件的宽边，Z为长方体工件的高边，再进行12～18道次的多向锻造，形成高纯铝工件；随后将锻后工件放入冰水中冷却至0℃～5℃后进行冷轧，每完成1道次轧制后将工件放入冰水中冷却至0℃～5℃，再进行下一道次轧制和冷却，道次压下量控制在5～30%，总变形量在70%以上，得到超高纯铝靶材；最后在温度50～250℃条件下对超高纯铝靶材进行再结晶退火，退火时间30～240分钟，获得超高纯铝细晶、高取向靶材。

所述的超高纯铝细晶、高取向靶材指纯度>5N5，厚度5～25mm，平均晶粒尺寸150～200um，晶粒取向以（200）方向为主。

所述压力机砧头，是采用合金钢制成的平砧头，砧头的移动速度5～20mm/s。

所述的多向锻造，是首先沿工件的X边压下，完成一次压下，再翻转90°，沿工件的Y边压下，如此以X→Y→Z→X……的顺序进行，道次压下量为30～50%。

与现用技术相比，本发明的特点及其有益效果是：

（1）本发明通过高温退火、多向温锻、大变形冷轧以及低温再结晶退火相结合的技术，充分的利用了多向锻造变形量大的特点大大提高了高纯铝的总变形量，细化了高纯铝晶粒。利用轧制变形的特点消除了高纯铝多向锻造工件过程中的变形不均匀性，使变形组织更加均匀，同时进一步细化了晶粒。

（2）利用冰水冷却抑制了轧制过程中板材的温升及动态再结晶，本工艺用冰水替代其它工艺中的液氮冷却，有效的减小了能耗，降低了成本。

（3）利用低温再结晶退火使高纯铝板材发生再结晶，最终获得了晶粒细小均匀，取向高度一致的超高纯铝靶材。

附图说明

图1 超高纯长方体工件示意图

图2为本发明锻造机砧头及高纯铝铸锭示意图，图中1为锻造机砧头，2为高纯铝铸锭，a、b为沿X边锻造，c、d为沿Y边锻造；

图3实施例1冷轧后高纯铝细晶、高取向板材；

图4实施例1退火后高纯铝细晶、高取向板材的宏观组织；

图5实施例1退火后高纯铝细晶、高取向板材的偏光组织；

图6实施例1退火后高纯铝细晶、高取向板材的反极图；

图7实施例2冷轧后高纯铝细晶、高取向板材；

图8实施例2退火后高纯铝细晶、高取向板材的宏观组织；

图9实施例2退火后高纯铝细晶、高取向板材的偏光组织；

图10实施例3退火后高纯铝细晶、高取向板材的宏观组织；

图11实施例3退火后高纯铝细晶、高取向板材的偏光组织。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作详细说明，但本发明的保护范围不仅限于下述的实施例。

如图2所示，以下实施例中涉及到的多向锻造砧头1为合金钢制成，上下砧头的尺寸分别为400×400×50mm；

实施例 1

首先将通过铸造得到的纯度大于99.9995 wt%，尺寸为Ф220×180mm的超高纯铝铸锭，放入电阻炉中随炉升温至630℃，保温6小时后取出空冷到室温；然后将退火处理后的超高纯铝铸锭加热到300℃，保温3小时后，置于压力机砧头上，先经过两道次锻造将铸锭锻成长方体，再如图1、2所示，使工件X方向与压下方向一致如图2a，对工件进行40%的压下如图2b，抬起砧头，将工件翻转90°，使工件Y方向与压下方向一致如图2c，再对工件进行40%的压下如图2d，如此以X→Y→Z→X……的顺序进行，重复进行锻造18道次，砧头移动速度控制在20mm/s，形成超高纯铝工件；随后将锻后工件放入冰水中冷却至0℃～5℃再进行轧制，每完成1道次轧制后放入冰水中冷却至0℃～5℃，再进行下一道次轧制和冷却，道次压下量控制在10%，总变形量在70%以上，形成1000×400×18mm的超高纯铝板材；最后在温度250℃条件下对超高纯铝板材进行再结晶退火，退火时间240分钟，获得超高纯铝细晶、高取向靶材，晶粒以均匀细小的等轴晶为主，且90%以上已经发生再结晶，平均晶粒尺寸为170um，晶粒取向以（200）方向为主，如图3、4、5、6所示。

实施例 2

采用与实例1相同的步骤，所述的超高纯铝铸锭为纯度大于99.9995wt%的高纯铝，尺寸为Ф220×294mm，均匀化退火温度为600℃，退火时间为18小时，多向锻造次数为12道次，多向锻造温度为270℃，砧头移动速度为10mm/s，道次压下量30%。将工件轧成800×1000×14mm的板材，轧制过程中道次压下量控制在20%。对板材进行再结晶退火，退火温度200℃，退火时间120小时，退火后所得超高纯铝细晶、高取向靶材，晶粒以均匀细小的等轴晶为主，且90%以上已经发生再结晶，平均晶粒尺寸为190 um，如图7、8、9所示。

实施例 3

采用与实例1相同的步骤，所述的超高纯铝铸锭为纯度大于99.9995wt%的高纯铝，尺寸为150×120×90mm，均匀化退火温度为600℃，退火时间为2小时，多向锻造次数为12道次，多向锻造温度为250℃，砧头移动速度为20mm/s，道次压下量为40%；将工件轧成600×500×5mm的板材；轧制过程中道次压下量控制在15%；对板材进行再结晶退火，退火温度50℃，退火时间60分钟，退火后所得超高纯铝细晶、高取向靶材，晶粒以均匀细小的等轴晶为主，且90%以上已经发生再结晶，平均晶粒尺寸为150um，如图10、11所示。

实施例 4

采用与实例1相同的步骤，所述的超高纯铝铸锭为纯度大于99.9995wt%的高纯铝，尺寸为Ф220×294mm，均匀化退火温度为550℃，退火时间为10小时，多向锻造次数为12道次，多向锻造温度为200℃，砧头移动速度为5mm/s，道次压下量为50%；将工件轧成1500×1500×5mm的板材；轧制过程中道次压下量控制在30%；对板材进行再结晶退火，退火温度100℃，退火时间30分钟，退火后所得超高纯铝细晶、高取向靶材，晶粒以均匀细小的等轴晶为主，且90%以上已经发生再结晶，平均晶粒尺寸为150um。

实施例 5

采用与实例1相同的步骤，所述的高纯铝铸锭为纯度大于99.9995wt%的高纯铝，尺寸为Ф220×120mm，均匀化退火温度为500℃，退火时间为2小时；多向锻造次数为15道次，多向锻造温度为150℃，砧头移动速度为20mm/s，道次压下量为40%；将工件轧成400×450×25mm的板材；轧制过程中道次压下量控制在5%；对板材进行再结晶退火，退火温度150℃，退火时间60分钟，退火后所得超高纯铝细晶、高取向靶材，晶粒以均匀细小的等轴晶为主，且90%以上已经发生再结晶，平均晶粒尺寸为190um。

Claims

1.一种超高纯铝细晶、高取向靶材的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

首先将通过铸造得到的纯度大于99.9995wt%的超高纯铝铸锭，在500～630℃条件下进行退火处理，退火时间2～18小时，退火后空冷到室温；然后将退火处理后的超高纯铝铸锭加热到150～300℃，保温3小时后，置于压力机砧头上，先经过两道次锻造将铸锭锻成长方体工件，其中X为工件的长边，Y为工件的宽边，Z为工件的高边，再进行12～18道次的多向锻造，首先沿工件的X边压下，完成一次压下后，再翻转90°，沿工件的Y边压下，如此以X→Y→Z→X……的顺序进行，道次压下量为30～50%，形成高纯铝工件；随后将锻后工件放入冰水中冷却至0℃～5℃后进行冷轧，每完成1道次轧制后将工件放入冰水中冷却至0℃～5℃，再进行下一道次轧制和冷却，道次压下量控制在5～30%，总变形量在70%以上，得到超高纯铝靶材；最后在温度50～250℃条件下对超高纯铝靶材进行再结晶退火，退火时间30～240分钟，获得纯度>5N5，厚度5～25mm，平均晶粒尺寸150～200um，晶粒取向以（200）方向为主的超高纯铝细晶、高取向靶材。

2.根据权利要求1所述的一种超高纯铝细晶、高取向靶材的制备方法，其特征在于，所述压力机砧头，是采用合金钢制成的平砧头，砧头的移动速度5～20mm/s。